Rüdiger Vaas - Vom Gottesteilchen zur Weltformel - Kosmos
Rüdiger Vaas - Vom Gottesteilchen zur Weltformel - Kosmos
Rüdiger Vaas - Vom Gottesteilchen zur Weltformel - Kosmos
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<strong>Vom</strong> <strong>Gottesteilchen</strong><br />
<strong>zur</strong> <strong>Weltformel</strong><br />
Literaturverzeichnis – 1
2 – Literaturverzeichnis
<strong>Rüdiger</strong> <strong>Vaas</strong><br />
<strong>Vom</strong><br />
<strong>Gottesteilchen</strong><br />
<strong>zur</strong> <strong>Weltformel</strong><br />
Urknall, Higgs, Antimaterie und<br />
die rätselhafte Schattenwelt<br />
K<br />
Literaturverzeichnis – 3
»Woher kommt mir eigentlich diese Neugierde,<br />
die mich immer von neuem aus den Tümpeln hochjagt?<br />
Und auf was denn richtet sie sich?«<br />
Hans Erich Nossack: Der Neugierige<br />
Impressum<br />
Umschlaggestaltung von Büro Jorge Schmidt unter Verwendung<br />
einer Illustration von Pasieka/Science Photo Library/Agentur Focus.<br />
Mit 55 Schwarzweißfotos und 46 Illustrationen. Bildnachweis Seite 511.<br />
Unser gesamtes lieferbares Programm und viele<br />
weitere Informationen zu unseren Büchern,<br />
Spielen, Experimentierkästen, DVDs, Autoren und<br />
Aktivitäten finden Sie unter kosmos.de<br />
Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier<br />
© 2013, Franckh-<strong>Kosmos</strong> Verlags-GmbH & Co. KG, Stuttgart<br />
Alle Rechte vorbehalten<br />
ISBN 978-3-440-13855-7<br />
Redaktion: Sven Melchert<br />
Gestaltung und Satz: Martina Heitzmann-Schulz, Fußgönheim<br />
Produktion: Ralf Paucke<br />
Printed in Germany / Imprimé en Allemagne<br />
4 – Literaturverzeichnis
Inhalt<br />
6 ›<br />
10 ›<br />
102 ›<br />
166 ›<br />
256 ›<br />
318 ›<br />
384 ›<br />
Prolog<br />
Wir haben eine Entdeckung!<br />
Mikrokosmos<br />
Die Bausteine des Universums<br />
<strong>Gottesteilchen</strong><br />
Ein schöpferisches Feld und sein Verkünder<br />
Antimaterie<br />
Vorstoß in die Gegenwelt<br />
Dunkle Materie<br />
Das Weltreich der Finsternis<br />
Symmetrien<br />
Mit vereinten Kräften <strong>zur</strong> Vielfalt der Welt<br />
<strong>Weltformel</strong><br />
Die Melodie des Mikrokosmos<br />
502 ›<br />
503 ›<br />
503 ›<br />
511 ›<br />
Paralleluniversen-Publikationen<br />
Teilchendank<br />
Lesepartikel<br />
Photonen-Emitter<br />
Literaturverzeichnis – 5
6 – Prolog
»Wir haben eine Entdeckung!«<br />
Diese freudigen Worte von Rolf-Dieter Heuer, dem Generaldirektor des<br />
Forschungszentrums CERN bei Genf, bedeuten wohl den Schlussstein<br />
eines rund fünf Jahrzehnte dauernden Kapitels einer Erfolgsgeschichte<br />
ohne Beispiel: der Entwicklung, Ausarbeitung und Vervollständigung<br />
des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Es beschreibt alle<br />
bekannten Teilchen und Kräfte außer der Gravitation. Und es ist zusammen<br />
mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie die am<br />
besten bestätigte wissenschaftliche Theorie aller Zeiten.<br />
Nur ein Beispiel: Mit dem Standardmodell lässt sich, wenn auch<br />
mit riesigem Aufwand, der normierte Wert des anomalen magnetischen<br />
Moments eines Elektrons sehr genau berechnen beziehungsweise<br />
voraussagen: 0,0011596521817864377 (wobei selbst die Gründe der Unsicherheiten<br />
in den letzten fünf Ziffern bekannt sind). Und Experimentalphysiker<br />
konnten ihn äußerst präzise messen: 0,00115965218076 (mit<br />
einer Unsicherheit von plus/minus 0,00000000000027). Theorie und<br />
Beobachtung passen also auf elf Stellen hinter dem Komma zueinander<br />
– und das bei einem nicht gerade selbstverständlichen Parameter eines<br />
Elementarteilchens, das kleiner als 10 -19 Meter sein muss. Diese Übereinstimmung<br />
ist kein Zufall, sondern sie zeigt, dass Wissenschaftler<br />
hier ein sehr tiefes Verständnis von der Natur haben.<br />
Am 4. Juli 2012 gaben Physiker am CERN die Entdeckung eines<br />
neuen Teilchens bekannt, die Heuer so freute. Es ist sehr wahrscheinlich<br />
das seit Jahrzehnten gesuchte Higgs-Boson – das Quant eines<br />
Felds, ohne das es keine Masse gäbe, keine Atome und kein Leben.<br />
Dieses Feld durchzieht alles, auch dieses Buch, und ist vielleicht der<br />
Kathedrale für das »<strong>Gottesteilchen</strong>«: Im CMS-Detektor am Large Hadron<br />
Collider sind bereits über eine halbe Million Higgs-Bosonen entstanden – und<br />
nach jeweils einer Trilliardstel Sekunde sofort wieder zerfallen.<br />
Prolog – 7
Schlüssel zu einer unbekannten Realität, zu verborgenen Dimensionen<br />
und einer »<strong>Weltformel</strong>«. Peter Higgs und François Englert, die<br />
die Existenz des neuartigen Felds vorausgesagt und so eine Großfahndung<br />
mit den gewaltigsten Maschinen aller Zeiten ausgelöst<br />
hatten, wurden im Dezember 2013 mit dem Nobelpreis geehrt.<br />
Dieses Buch beschreibt die Entdeckung des Higgs-Teilchens, das<br />
Standardmodell der Materie sowie das, was Physiker heute jenseits<br />
davon vermuten, suchen, erhoffen und befürchten.<br />
› Das erste Kapitel, Mikrokosmos, schlägt den weiten Bogen von<br />
den ersten Spekulationen griechischer Philosophen über Naturgesetze<br />
und Atome bis zum modernen Standardmodell der Elementarteilchenphysik.<br />
Obwohl sich die »reduktionistische« Erklärungsstrategie<br />
bis heute glänzend bewährt hat, wurden die Vorstellungen<br />
von der Materie und ihren Wechselwirkungen radikal<br />
umgewälzt. So richtig weiß niemand, was Materie eigentlich ist<br />
– und die Quantenfeldtheorien werfen auch diffizile philosophische<br />
Fragen auf. Ganz handfest geht das Kapitel aber weiter mit<br />
der Erfolgsgeschichte des Forschungszentrums CERN, dem globalen<br />
Zentrum der experimentellen Elementarteilchenphysik, und<br />
mit seiner grandiosen Weltmaschine, dem Large Hadron Collider<br />
(LHC) und dessen haushohen Messgeräten. Der LHC ist auch eine<br />
Art »Urknall-Maschine«, denn er erzeugt Bedingungen, wie sie<br />
weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Anfang unseres<br />
Universums überall im Weltraum herrschten.<br />
› Das zweite Kapitel, <strong>Gottesteilchen</strong>, beschreibt die abenteuerliche<br />
Suche nach dem Higgs-Boson. Seine Existenz wurde 1964 am<br />
Schreibtisch postuliert, was zunächst kaum Beachtung fand. Fast<br />
ein halbes Jahrhundert später haben es Teilchenphysiker am LHC<br />
vieltausendfach produziert und mit riesigem Aufwand akribisch<br />
nachgewiesen – ein grandioser Erfolg für die Wissenschaft! Damit<br />
ist das Standardmodell der Elementarteilchen komplett und ein echt<br />
»schweres« Rätsel gelöst.<br />
8 – Prolog
› Das dritte Kapitel, Antimaterie, handelt von der eigenartigen Gegenwelt<br />
der Materie, die fast gleich und doch ungeheuer vernichtend<br />
erscheint – vor allem aber größtenteils abwesend. Doch am CERN<br />
werden nun erstmals in der Geschichte des bekannten Universums<br />
Antiatome erzeugt. Damit lassen sich die Naturgesetze auf eine ganz<br />
neue Weise ausloten.<br />
› Das vierte Kapitel, Dunkle Materie, hat eine weitere »Parallelwelt«<br />
der Natur im Fokus: ein seltsames Schattenreich, das sich nur<br />
durch seinen Schwerkrafteinfluss bemerkbar macht. Der ist aber<br />
gewichtig. Die unsichtbare Dunkle Materie muss mindestens das<br />
Sechsfache der Gesamtmasse aller gewöhnlichen Elementarteilchen<br />
besitzen. Sie regiert die Galaxien, wie Astronomen inzwischen wissen.<br />
Nun sind die Teilchenphysiker gefordert, die ominösen Partikel<br />
einzufangen – oder am LHC direkt zu erschaffen.<br />
› Das fünfte Kapitel, Symmetrien, spürt dem Geheimcode der Natur<br />
nach, der Einheit stiftet und Vielfalt schafft. Hier wird alles GUT, die<br />
scheue SUSY verzaubert und das Higgs-Boson kommt wieder zu Ehren.<br />
› Das sechste Kapitel, <strong>Weltformel</strong>, schließlich handelt von den gleichermaßen<br />
exotischen wie faszinierenden Versuchen, eine umfassende<br />
Erklärung von Materie, Energie, Kräften sowie Raum und Zeit zu finden<br />
– die Entstehung des Universums eingeschlossen. Physiker arbeiten<br />
an einer Theorie der Quantengravitation … und verheddern sich dabei<br />
nicht selten in zusätzlichen Dimensionen, in bizarren Branen- und<br />
Hologramm-Welten, bis sie auf Abwege geraten in einer ungeheuren<br />
Landschaft, um sich zuletzt irgendwo zwischen Myriaden von Raumzeiten<br />
im Multiversum wiederzufinden. Das klingt vielleicht konfus<br />
oder abstrus – doch so verwegen das Szenario der Superstrings und<br />
ihre geheimnisvolle Erweiterung, die M-Theorie, auch anmuten: Ihre<br />
Erfolge sind beträchtlich. Sie avancierte zum führenden Kandidaten<br />
einer »Theorie von Allem«.<br />
Willkommen in der Welt des Mikrokosmos, in physikalischen Gedankenschmieden<br />
und in fremden Universen!<br />
Prolog – 9
102 – <strong>Gottesteilchen</strong>
<strong>Gottesteilchen</strong><br />
Ein schöpferisches Feld und sein Verkünder<br />
Das Higgs-Boson ist eine verwegene Annahme mit<br />
schwerwiegenden Folgen: Als Quant eines neuartigen<br />
Felds, das den gesamten Weltraum ausfüllt, weist es<br />
auf einen kurz nach dem Urknall angesprungenen Mechanismus<br />
hin, der Elementarteilchen ihre Masse gibt.<br />
Signatur des Neuen: Zerfallsspur eines mutmaßlichen Higgs-Teilchens in<br />
zwei Paare von Myonen (lange Linien), gemessen im ATLAS-Detektor.<br />
<strong>Gottesteilchen</strong> – 103
»Wissenschaft ist nicht nur ein Katalog von in Erfahrung gebrachten<br />
Tatsachen über das Universum. Es ist eine Art und Weise<br />
des Fortschritts, manchmal quälend, manchmal unsicher.«<br />
Arthur Stanley Eddington (1882 – 1944), britischer Astrophysiker<br />
Der große Preis<br />
Die Nobelpreis-Ankündigung ist auch nicht mehr das, was sie einmal<br />
war. Denn die Zeiten haben sich verbessert: Dank Internet-<br />
Livestream kann die interessierte Menschheit die Bekanntgabe im<br />
kleinen, holzgetäfelten Saal der Königlich-Schwedischen Akademie<br />
der Wissenschaften im Zentrum Stockholms fast simultan verfolgen.<br />
Um 11:45 Uhr sollte es am 8. Oktober 2013 soweit sein: Der Physik-<br />
Nobelpreis stand an. Doch außer ein paar im Raum wartenden Journalisten<br />
war zunächst nichts zu sehen. Mehrfach wurde der Termin<br />
verschoben, bis es dann um 12:45 Uhr doch los ging. Zunächst sprach<br />
der Sekretär des Nobelpreis-Komitees in schwedisch. Doch die entscheidende<br />
Nachricht, die Namen der Gewinner, verstand jeder. Und<br />
es war eigentlich keine Überraschung – im Gegenteil: Physik-Experten<br />
hätten sich doch sehr gewundert, wenn in diesem Jahr eine<br />
andere Leistung ausgezeichnet worden wäre (aber angesichts einiger<br />
seltsamer früherer Preis-Entscheidungen wäre vielleicht nicht einmal<br />
das erstaunlich gewesen).<br />
Kurzum: Der seit 2012 mit acht Millionen Schwedischen Kronen<br />
(916.000 Euro) dotierte Nobelpreis für Physik 2013 geht an François<br />
Englert von der Université Libre de Bruxelles im belgischen Brüssel<br />
und Peter W. Higgs von der University of Edinburgh in Großbritannien.<br />
Verliehen wird er »für ihre theoretische Entdeckung eines<br />
Mechanismus, der zum Verständnis des Ursprungs der Masse von<br />
104 – <strong>Gottesteilchen</strong>
Glück im Alter: François Englert (links) und Peter Higgs trafen sich hier<br />
erstmals in ihrem Leben am 4. Juli 2012 am CERN – bei der Bekanntgabe der<br />
Entdeckung des mutmaßlichen Higgs-Teilchens. Dessen Existenz wurde von<br />
ihrer Theorie vorausgesagt, für die die beiden Wissenschaftler rund 50 Jahre<br />
später mit dem Physik-Nobelpreis 2013 ausgezeichnet wurden.<br />
subatomaren Teilchen beiträgt, und der kürzlich bestätigt wurde<br />
mit der Entdeckung des vorausgesagten Elementarteilchens durch<br />
die Experimente ATLAS und CMS des Large Hadron Collider am<br />
CERN«, wie es in der Begründung etwas umständlich, aber durchaus<br />
sorgfältig formuliert heißt. Nach der englischen Wiederholung<br />
derselben Nachricht wurden kurz die Arbeiten von Englert mit<br />
Robert Brout – der den Preis ebenfalls erhalten hätte, wenn er nicht<br />
2011 gestorben wäre – und von Peter Higgs vorgestellt und die enormen<br />
experimentaltechnischen Anstrengungen gewürdigt, die 2012<br />
schließlich am CERN zum Nachweis des Teilchens führten, dessen<br />
<strong>Gottesteilchen</strong> – 105
Existenz aus dem inzwischen als Brout-Englert-Higgs-Mechanismus<br />
bezeichneten theoretischen Modell zwingend folgt.<br />
»Ich bin sehr glücklich«, sagte Englert in einem Telefonat mit<br />
der Schwedischen Akademie der Wissenschaften im Anschluss, das<br />
ebenfalls live übertragen wurde. Peter Higgs hingegen war nicht erreichbar<br />
– vermutlich deshalb ist die Veranstaltung um eine Stunde<br />
verschoben worden, weil er zuvor natürlich noch hätte benachrichtigt<br />
werden sollen. »Ich werde ihm gratulieren«, versprach Englert.<br />
Abends war er im Fernsehen zu sehen, wie er vom Balkon seiner<br />
Wohnung aus lächelnd den Journalisten winkte.<br />
Nicht ausgezeichnet wurden Tom Kibble, Gerald Guralnik und<br />
Carl Hagen, die ebenfalls 1964 und unabhängig von Englert, Brout<br />
und Higgs dieselbe Idee ausgearbeitet hatten – deren Publikation<br />
aber knapp einen Monat nach der von Higgs erschien, weil sie sich<br />
Zeit gelassen hatten, die Richtigkeit ihrer Rechnungen noch einmal<br />
zu überprüfen. Das darf man als ungerecht empfinden. Traditionell<br />
werden aber maximal drei Personen mit einem Nobelpreis ausgezeichnet.<br />
Die Statuten sehen nur diese Varianten vor: eine Person,<br />
zwei Personen je <strong>zur</strong> Hälfte, drei Personen je zu einem Drittel, oder<br />
eine Person <strong>zur</strong> Hälfte und zwei jeweils zu einem Viertel.<br />
»Vor der Wahl, die Regeln zu befolgen oder eine gleichberechtigte<br />
Entscheidung zu fällen, hielten sich die Schweden an ihre Statuten«,<br />
kommentierte Hagen nicht ohne Bitternis. Auch Tom Kibble, der<br />
Englert und Higgs ebenfalls gratulierte, freute sich darüber, dass die<br />
Schwedische Akademie der Wissenschaften die Forschungen anerkannt<br />
hat. »Meine beiden Mitarbeiter, Gerald Guralnik und Carl<br />
Richard Hagen, und ich haben zu dieser Entdeckung beigetragen.<br />
Aber unser Artikel war ohne Frage der letzte der drei Publikationen.<br />
Es ist deshalb keine Überraschung, dass die Schwedische Akademie<br />
sich nicht in der Lage dazu sah, uns einzuschließen aufgrund ihrer<br />
selbst auferlegten Regel, dass der Preis nicht unter mehr als drei Leuten<br />
geteilt werden soll«, räumte er ein.<br />
106 – <strong>Gottesteilchen</strong>
Niemand bezweifelt allerdings, dass Englert und Higgs den Nobelpreis<br />
»wahrlich verdient« haben, wie es Sean Carrol vom California<br />
Institute of Technology ausdrückt. »Ihre Leistung ist eines der absolut<br />
beeindruckendsten Beispiele für das Verständnis, mit welcher<br />
Präzision die Natur auf einer tiefen Ebene funktioniert«, sagt der<br />
Theoretische Physiker, der 2012 ein sehr lesenswertes Buch über<br />
den Higgs-Mechanismus und alles Folgende veröffentlicht hatte,<br />
The Particle at the End of the Universe. »Das ist die Anerkennung<br />
eines Triumphs der Grundlagenphysik, der in den Geschichtsbüchern<br />
Jahrtausende überdauern wird«, stimmt Ben Allanach zu,<br />
ein Theoretischer Physiker an der Cambridge University. »Ich bin<br />
begeistert über diesen Preis, und sowohl Englert als auch Higgs<br />
haben ihn sehr verdient. Man kann die Bedeutung der Entdeckung<br />
gar nicht überbetonen.«<br />
Spekulationen, neben Englert und Higgs könnte das CERN der<br />
Dritte im Bunde sein, gab es zwar auch. Doch sie waren eigentlich<br />
müßig. Denn Institutionen sind für Wissenschaftsnobelpreise nicht<br />
vorgesehen. Obwohl manche dachten, Forscher wie Laien, dass das<br />
Nobelpreis-Komitee vielleicht die Statuten ändern würde – und viele<br />
das auch für erforderlich halten angesichts der immer größeren<br />
Teams in der Grundlagenforschung. Zumindest in einigen Bereichen<br />
ist die Zeit des »einsamen Genies« in der Wissenschaft vorbei. Man<br />
könnte daher natürlich auch pars pro toto einer Person den Preis<br />
verleihen – doch wem? In diesem Fall CERN-Generaldirektor Rolf-<br />
Dieter Heuer? Oder einem der Hauptverantwortlichen beim Bau des<br />
Large Hadron Colliders, etwa dem Projektmanager Lyndon Evans?<br />
Oder den – aktuellen oder aber bei der Entdeckung des Teilchens amtierenden<br />
– Sprechern der Detektoren ATLAS und CMS, mit denen<br />
das Higgs-Boson schließlich nachgewiesen wurde?<br />
»Keiner von uns arbeitet für den Preis, sondern aus Neugier und<br />
innerem Antrieb«, betonte Thomas Naumann vom Forschungszentrum<br />
DESY in Zeuthen, der zum ATLAS-Team gehört. »Ein lustiger<br />
<strong>Gottesteilchen</strong> – 107
Vorschlag war, dem Teilchen selbst den Preis zu verliehen, als Dank<br />
dafür, dass es uns allen Masse verleiht.«<br />
Am CERN war die Freude über den Nobelpreis jedenfalls groß –<br />
die Rolle des Forschungszentrums wurde in der Begründung, in allen<br />
Reden und Schriften ja auch ausführlich gewürdigt, ebenso im Echo<br />
der Presse. »Es ist ein großer Tag für die Teilchenphysik, sowohl für<br />
die Theorie als auch für die Experimente«, sprach CERN-Generaldirektor<br />
Rolf-Dieter Heuer zu ein paar hundert Kollegen, die sich in der<br />
Eingangshalle des CERN-Gebäudes 40 versammelt hatten (wo viele<br />
ATLAS- und CMS-Forscher wie auch Heuer ihre Büros haben), um<br />
live die Nobelpreis-Bekanntmachung über den Webstream zu hören.<br />
Applaus brandete auf, und Heuer ermunterte alle, auch sich selbst zu<br />
applaudieren, denn »wir sollten alle stolz sein auf diese Leistung«. Mit<br />
mehreren Wissenschaftlern hielt Heuer dann kurze Zeit später, um<br />
14 Uhr, auch eine Pressekonferenz ab.<br />
Hinter vorgehaltener Hand war bei manchen Forschern gleichwohl<br />
eine Spur Enttäuschung zu vernehmen. Schließlich hätten<br />
ohne die LHC-Entdeckung des Bosons Englert und Higgs den Preis<br />
schwerlich erhalten, so die Überzeugung. Aber das alles ist »soziales<br />
Rauschen«, und um Preise sollte es in der Forschung ohnehin<br />
nicht gehen. (Außerdem können die LHC-Spitzenleistungen ja auch<br />
künftig noch bedacht werden, und einige andere renommierte Preise<br />
haben sie bereits eingeheimst.)<br />
Peter Higgs ist in dieser Hinsicht auch menschlich-moralisch ein<br />
Vorbild. Bescheiden, fast scheu, war ihm der bereits vor ein paar Jahren<br />
einsetzende Rummel um seine Person nie recht geheuer. Selbst der Trubel<br />
unter den Physikern, als er im April 2008 das CERN besucht hatte,<br />
um die LHC-Detektoren anzuschauen, war ihm fremd. (Er musste sogar<br />
einige der unter Tage obligatorisch zu tragenden Plastikhelme signieren,<br />
die kurz darauf von den Autogrammjägern versteigert wurden.) Auch<br />
das gesellschaftliche Prestige-Traritrara meidet er. So lehnte er den britischen<br />
»Ritterschlag« ab, weil er nicht »diese Art von Titel« wollte.<br />
108 – <strong>Gottesteilchen</strong>
Nobelpreis-Freude: Im Anschluss an die Nachricht aus Stockholm hielt<br />
Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer eine kurze Ansprache am CERN.<br />
Peter Higgs, der weder Handy noch Computer und E-Mail benutzt<br />
(und nur ans Telefon geht, wenn er weiß, wer anruft), hatte sich<br />
nicht zufällig am 8. Oktober <strong>zur</strong>ückgezogen. Er sei gesundheitlich<br />
angeschlagen und mache Urlaub, hieß es über den längst emeritierten<br />
Professor (der aber immer noch Vorlesungen hält). »Er gab<br />
nicht einmal mir Bescheid«, sagte sein enger Freund Alan Walker,<br />
ebenfalls Physiker an der Edinburgh University, nach der noblen<br />
Bekanntgabe, als er mit seinen Kollegen die Preisverleihung verfolgte<br />
und am Institut feierte. »Er ist nicht erreichbar, und das ist<br />
gut für ihn.«<br />
Tatsächlich weilte Higgs in einem kleinen Pub in Leith nördlich<br />
von Edinburgh. Dort genoss er eine Suppe, Fisch und ein Pint<br />
Bier. Von dem Preis erfuhr er erst, als ihm ein Nachbar nach seiner<br />
Rückkehr in Edinburghs New Town gratulierte, wo er ein Appartement<br />
bewohnt.<br />
<strong>Gottesteilchen</strong> – 109
Am 11. Oktober sprach Higgs dann kurz auf einer Pressekonferenz<br />
der Edinburgh University. Er erzählte, ein schwedischer Freund und<br />
Physiker habe ihm schon 1980 gesagt, dass er für den Nobelpreis<br />
vorgesehen sei. Aber Higgs glaubte nicht, dass er den Nachweis des<br />
Bosons noch erleben würde. Erst als der LHC in Betrieb ging, sah<br />
er eine Chance; und nach der Spezifikation der Eigenschaften des<br />
entdeckten Bosons im Frühjahr 2013 sei es für den Preis wohl nur<br />
noch eine Frage der Zeit gewesen.<br />
In einem Statement, das seine Universität später veröffentlichte,<br />
sagte Higgs, er sei »überwältigt«, den Preis zu erhalten und gratulierte<br />
allen, die zu der Entdeckung beigetragen hätten. Und er fügte<br />
hinzu: »Ich hoffe, diese Anerkennung der Grundlagenforschung hilft<br />
dabei, das Bewusstsein zu steigern, welchen Wert wissenschaftliche<br />
Untersuchungen ins Blaue hinein haben« (»raise awareness of the<br />
value of blue-sky research«).<br />
Der Higgs-Mechanismus<br />
Aus einer solchen scheinbar zweckfreien, das heißt als Selbstzweck<br />
aus Neugierde erfolgten »himmelblauen« Forschung heraus war<br />
Peter Higgs auch auf die mögliche Existenz des inzwischen nach ihm<br />
benannten Bosons gestoßen. Es ist der letzte Baustein im Standardmodell<br />
der Materie – das Quant des Higgs-Felds. Elementarteilchen,<br />
die mit diesem Feld wechselwirken, erhalten dabei ihre Ruhemasse.<br />
Teilchen, die das nicht tun – wie die Photonen –, bleiben masselos<br />
und somit lichtschnell.<br />
In den modernen Quantenfeldtheorien spielen Symmetrien und<br />
spontane Symmetriebrechungen eine entscheidende Rolle. Symmetrische<br />
Zustände sind einfach, aber oft instabil. Dies trifft auch für<br />
das Higgs-Feld zu. Mathematisch lässt sich sein Potenzial ähnlich<br />
beschreiben wie die Form eines Sombrero-Huts.<br />
110 – <strong>Gottesteilchen</strong>
Sombrero und Symmetriebrechung: Das Higgs-Potenzial, die Aktivierung<br />
des Higgs-Mechanismus und der Grund des Higgs-Teilchens. Näheres<br />
im Text.<br />
Kurz nach dem Urknall hatte das Feld, das den ganzen Weltraum<br />
durchzieht, einen symmetrischen Zustand. Das kann man mit einer<br />
Kugel veranschaulichen, die auf dem »Gipfel« (lokales Maximum) des<br />
Higgs-Potenzials ruht, sodass alle Richtungen gleichberechtigt sind.<br />
Als sich das All abkühlte, spaltete sich die Elektroschwache Kraft auf<br />
in die beiden seither getrennten Kräfte des Elektromagnetismus und<br />
der Schwachen Wechselwirkung. Zuvor waren alle Elementarteilchen<br />
masselos. Doch von nun an konnten viele Teilchen-Arten mit<br />
dem Higgs-Feld interagieren und erhielten dabei ihre Masse. Dieser<br />
Phasenübergang lässt sich durch das Hinabrollen der Kugel in die<br />
energieärmere Rinne an irgendeiner Stelle des Potenzials beschrei-<br />
<strong>Gottesteilchen</strong> – 111
en (Symmetriebrechung). Wird das Feld dann angeregt, schwingt<br />
die Kugel dort hin und her. Diese Oszillationen entsprechen dem<br />
massereichen Higgs-Boson.<br />
Dieses Teilchen ist also nicht selbst der »Masse-Lieferant«, sondern<br />
lediglich eine kurzlebige Begleiterscheinung des Felds bei energiereicher<br />
Anregung. Trotzdem wäre sein Nachweis von riesiger<br />
Bedeutung, würde er doch bestätigen, dass die Vorstellung vom<br />
Higgs-Mechanismus korrekt ist.<br />
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens als Selbstzweck ist also gar<br />
nicht so wichtig. Viel wichtiger ist, dass sein Nachweis die Existenz des<br />
Higgs-Felds impliziert, aus dem es entsteht, sowie des Higgs-Mechanismus.<br />
Gemäß der Quantenfeldtheorien sind Teilchen keine eigenständige<br />
Entitäten, sondern lediglich Schwingungen oder Vibrationen<br />
oder Energiekonzentrationen in einem Feld – eine sehr abstrakte und<br />
mit dem Alltagsverständnis schwer zu vereinbarende Vorstellung. Elementarteilchen<br />
sind also nicht einfach winzige harte Kügelchen, die wie<br />
in einem mikroskopischen Billard-Spiel herumflitzen oder -liegen und<br />
wie Bauklötze die Formenvielfalt der sicht- und fühlbaren Welt ergeben.<br />
So sind beispielsweise Elektronen die Vibrationen des elektromagnetischen<br />
Felds, und deshalb haben sie alle dieselbe Masse und Ladung<br />
– aber sie können wie ihre Antimaterie-Geschwister, die Positronen, aus<br />
diesem Feld auch entstehen und sich wechselseitig wieder vernichten,<br />
das heißt zerstrahlen.<br />
Weil das Higgs-Feld den gesamten Raum durchsetzt – überall auf<br />
dieselbe Weise, das heißt gleich »stark« und ohne eine bevorzugte<br />
Richtung – und mit bestimmten (aber nicht allen!) Elementarteilchen<br />
wechselwirkt, gewinnen diese dabei ihre Masse. Ohne diesen Higgs-<br />
Mechanismus wären also beispielsweise Elektronen masselos und somit<br />
lichtschnell wie Photonen (die nicht mit dem Higgs-Feld wechselwirken).<br />
Hätten die Elektronen keine Masse, könnten Atome nicht existieren<br />
(oder nur Atome gleichsam so groß wie das ganze Universum).<br />
Somit gäbe es auch keine Moleküle, keine Chemie und kein Leben.<br />
112 – <strong>Gottesteilchen</strong>